Silizium-basierte Heterostrukturen

Heterostrukturen stellen eine Grundstruktur in der Festkörperphysik dar und haben zentrale Bedeutung für elektronische Bauelemente wie Schottkydioden, Feldeffekttransistoren, Hetero-Solarzellen, opto­elektronische III-V-Bauelemente und andere.

Solche Heterostrukturen aus zwei oder mehr Festkörpern erlauben:

• die Kombination der geeignetsten Festkörpereigenschaften
• die Passivierung der Grenzflächenzustände
• eine Kombination von organischen und anorganischen Fest­körpern

Schwerpunkt unserer Forschungsaktivitäten ist die amorph/kristalline Silizium-(a-Si:H/c-Si-)-Heterostruktur.

Fig. 2a und b zeigen das Schema und die Bandstruktur einer Wafer-Solarzelle mit solchen Kontakten. Das dotierbare amorphe Silizium ermöglicht die Realisierung von Hetero-p-n-Übergängen bei gleichzeitig sehr guter Passivierung der c-Si-Oberfläche.

Die chemische Gasphasenabscheidung des a-Si:H und das Aufbringen des transparenten leitfähigen Frontkontakts (transparent conductive oxide, TCO) erfolgt bei Temperaturen unter 250°C. Damit ist diese Heterostruktur geeignet für Dünnschichtsolarzellen auf Glas sowie temperatursensitive –z.B. sehr dünne – Si-Wafer und für Hocheffizienzzellen auf c-Si-Wafern: Wirkungsgrade über 25% für klassische Frontseiten-Zellen auf großen Flächen (100 cm²) wurden bereits experimentell realisiert.

Eine wichtige Voraussetzung ist die Optimierung der naß-chemischen Konditionierung von Si-Substraten.

Alternative Designkonzepte, z.B. Rückkontakt-Solarzellen, gehen im Wirkungsgrad darüber hinaus, wie numerische Simulationen z.B. mit unserem Simulationstool AFORS-HET zeigen.

Ein weiterer Gegenstand aktueller Forschung ist die Kombination aus einer Silizium-Heterosolarzelle mit einer darüber angeordneten Perowskit-Solarzelle zu Perowskit/Silizium-Tandem-Strukturen. Hierfür wurden mit realistischen Annahmen für die eingesetzten Materialien Effizienzen über 30% abgeschätzt.